智能工廠作為工業智能化發展的重要實踐模式,已經引發行業的廣泛關注。到底什么是智能工廠?智能工廠的核心架構是怎樣的?能為企業的轉型提供哪些支撐?這都是企業比較關心的話題。


  智能工廠、數字化工廠與智能制造

  不可忽視的是,往往很多企業在提及這些概念時,容易將這些概念混為一談,數字化工廠、智能工廠以及智能制造之間到底是否可以互相替換,這些概念之間是否存在區別?

  1、數字化工廠

  對于數字化工廠,德國工程師協會的定義是:

  數字化工廠(DF)是由數字化模型、方法和工具構成的綜合網絡,包含仿真和3D/虛擬現實可視化,通過連續的沒有中斷的數據管理集成在一起。數字化工廠集成了產品、過程和工廠模型數據庫,通過先進的可視化、仿真和文檔管理,以提高產品的質量和生產過程所涉及的質量和動態性能:


  在國內,對于數字化工廠接受度最高的定義是:

  數字化工廠是在計算機虛擬環境中,對整個生產過程進行仿真、評估和優化,并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。是現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物,主要作為溝通產品設計和產品制造之間的橋梁。從定義中可以得出一個結論,數字化工廠的本質是實現信息的集成。

  2、智能工廠

  智能工廠是在數字化工廠的基礎上,利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務,提高生產過程可控性、減少生產線人工干預,以及合理計劃排程。同時,集初步智能手段和智能系統等新興技術于一體,構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。


  智能工廠已經具有了自主能力,可采集、分析、判斷、規劃;通過整體可視技術進行推理預測,利用仿真及多媒體技術,將實境擴增展示設計與制造過程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構,具備協調、重組及擴充特性。已系統具備了自我學習、自行維護能力。因此,智能工廠實現了人與機器的相互協調合作,其本質是人機交互。

  3、智能制造

  智能工廠是在數字化工廠基礎上的升級版,但是與智能制造還有很大差距。

  智能制造系統在制造過程中能進行智能活動,諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作,去擴大、延伸和部分地取代技術專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。


  智能制造系統不只是“人工智能系統,而是人機一體化智能系統,是混合智能。系統可獨立承擔分析、判斷、決策等任務,突出人在制造系統中的核心地位,同時在智能機器配合下,更好發揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起,互相配合,相得益彰。本質是人機一體化。


  國內很多企業都在炒作智能制造,但是絕大多數企業還處在部分使用應用軟件的階段,少數企業也只是實現了信息集成,也就是可以達到數字化工廠的水平;極少數企業,能夠實現人機的有效交互,也就是達到智能工廠的水平。

  走進三一重工18號廠房

  三一18號廠房是亞洲最大的智能化制造車間,有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線,是三一重工總裝車間。2008年開始籌建,2012年全面投產,總面積約十萬平方米。

  三一重工總裝車間分為裝配區、高精機加區、結構件區、立庫區、展示廳、景觀區六大功能區域;主要生產泵車、拖泵、車載泵和平地機、壓路機、攤鋪機、正面吊等產品。廠房規劃全面應用數字化工廠仿真技術進行方案設計與驗證,此舉大大提高了規劃的科學性,及布局的合理性。

  1、智能加工中心與生產線

  三一重工在上海臨港產業園建成全球最大最先進的挖掘機生產基地,焊接機器人大規模投入使用,使得三一挖掘機的使用壽命大約翻了兩番,售后問題下降了四分之三。目前,三一重工已經完成車間機加設備的研發采購與安裝調試。

  2、智能化立體倉庫和物流運輸系統

  三一智能化立體倉庫由華中科大與三一聯合研制,總投資6000多萬元, 分南北兩個庫,由地下自動輸送設備連成一個整體,總占地面積9000平方米,倉庫容量大概是16000個貨位。這個庫區有幾千種物料,能支持每月數千臺產品的生產量。

  3、智能化生產執行過程控制

  三一集團制造執行系統,它充分利用信息化技術,從生產計劃下達、物料配送、生產節拍、完工確認、標準作業指導、質量管理、關重件條碼采集等多個維度進行管控,并通過網絡實時將現場信息及時準確地傳達到生產管理者與決策者。

  4、智能化生產控制中心

  采用了Andon系統之后,一旦發生問題,操作員可以在工作站拉一下繩索或者按一下按鈕,觸發相應的聲音和點亮相應的指示燈,提示監督人員立即找出發生故障的地方以及故障的原因,可以減少停工時間同時又提高了生產效率。

  智能工廠的智能化基因

  在智能工廠里,人、機器和資源如同在一個社交網絡里自然地相互溝通協作,生產出來的智能產品能夠理解自己被制造的細節以及將如何使用,能夠回答"哪組參數被用來處理我"、"我應該被傳送到哪里"等問題。

  同時,智能輔助系統將從執行例行任務中解放出來,使他們能夠專注于創新;靈活的工作組織能夠幫助工人把生活和工作實現更好地結合,個體顧客的需求將得到滿足。

  1、三元戰略

  美國與德國的工業發展戰略核心均為CPS(Cyber- Physical System)系統,是典型的二元戰略。美國是C(Cyber,包括:數字、信息、網絡等虛擬世界)+P(Physical,包括機器、設備、設施等實體世界),德國是P+C,兩國均是基于高素質勞動者、國家人力匱乏、企業高協同化、高法制化的基礎之上而提出的戰略!


  而中國裝備水平較美國和德國有一定差距,數據采集分析決策能力也有局限,但中國具有人力資源優勢,所以應該充分挖掘人的作用。因此,中國制造企業推進工業發展不能完全照搬發達國家的二元戰略,更宜采用CPPS(Cyber-Person-Physical System)人機網三元戰略,充分體現人的能動作用。

  2六維智能所謂“六維智能理論”,就是在設備聯網+遠程數據采集的基礎上,實現智能化的生產過程管理與控制,從6個方面打造適合中國國情的智能工廠,這6個方面包括:


  智能計劃排產,是從計劃源頭上集成ERP,進行APS高級排產。

  智能生產協同,從生產準備過程上,實現物料、刀具、工裝、工藝的并行協同準備。

  智能的設備互聯互通,是CPS信息物理系統的典型體現,實現數字化生產設備的分布式網絡化通訊、程序集中管理、設備狀態的實時監控等。

  智能資源管理,包括對物料、設備、刀具、量具、夾具等生產資源進行精益化管理、庫存智能預警等。

  智能質量過程管控,是對影響產品質量的生產工藝參數進行實時采集、控制,確保產品質量。

  智能決策支持,是基于大數據分析的決策支持,形成管理的閉環,以實現數字化、網絡化、智能化的高效生產模式。

  智能工廠核心架構

  工業4.0是什么?每個人站在不同的角度會有不同的理解,是互聯、集成(縱向、橫向、端到端)、數據、創新、服務、轉型或是CPS、是智能工廠、是智能制造亦或是國家戰略、企業目標。工業4.0核心內容就是建一個網絡、三項集成、大數據分析、八項計劃和研究兩個主題。

  1、建一個網絡(CPS)

  CPS讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能,從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合,將網絡空間的高級計算能力有效的運用于現實世界中,從而在生產制造過程中,與設計、開發、生產有關的所有數據將通過傳感器采集并進行分析,形成可自律操作的智能生產系統。

  2、三個集成

  工業4.0中的三項集成包括:橫向集成、縱向集成與端對端的集成。


  圖片來自工業4.0研究院


  工業4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡,使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯,從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成,集成是實現工業4.0的重點也是難點。

  3、數據處理:大數據分析

  隨著信息物理系統的推廣,智能裝備和終端的普及以及各種各樣傳感器的使用,將會帶來無所不在的感知和無所不在的連接,所有的生產裝備、感知設備、聯網終端,包括生產者本身都在源源不斷地產生數據,這些數據將會滲透到企業運營、價值鏈乃至產品的整個生命周期,是工業4.0和制造革命的基石。

  總體來說,工業4.0關注的企業數據分為四類:

  ●產品相關的數據,俗稱企業主數據;

  ●運營數據,一般稱為交易數據;

  ●整個價值鏈上的數據,如供應商、分銷商、客戶等數據,也是屬于企業主數據管理的范疇;

  ●對企業經營分析有價值的外部數據。

  智能工廠實施解決方案

  1、西門子

  西門子實現虛擬生產和與現實生產環境的融合,采用創新軟件、自動化技術、驅動技術及服務。

  這些能夠縮短產品上市時間、提高生產效率和靈活性。

  2、蘭光創新

  在對數控設備進行DNC聯網的基礎上,以圖形化高級排產為技術核心,以機床的數據自動采集形成閉環管理,建成程序編制、物料準備、刀具準備等協同制造環境。

  3、元工國際

  元工制造執行系統MES,是精益生產、數字化工廠、智慧工廠的支撐平臺;MES和SCM基于多年積累的智配平臺。

  元工CPS是工業4.0的執行平臺,支持多種物聯協議。

  4、LG CNS

  LG CNS通過AA (Advanced Analytics)解決方案, 為客戶提供從收集大數據到實現客戶業務為止的整合服務End-to-End 解決方案。

  5、艾普工華

  以MOM解決方案為主體,通過艾普工華MDI系統,提供國內外主流的數字化設計系統與數字化管理系統的集成與咨詢實施服務,形成的一套離散制造業數字化工廠整體解決方案。